三维地理信息系统及其可视化

三维地理信息系统及其可视化刘桥喜北京大学遥感与地理信息系统研究所2002年6月14日问题及现状问题的起源主要是三维数据模型的研究：许多学者在研究通用的三维数据模型，试图将GIS推广到三维领域！如城市、地质、地震、矿山、海洋、大气等。目前这种推广工作并不理想！但有关三维方面的概念及研究成果却层出不穷！但是什么是三维地理信息系统的特征点或特征性的研究内容？为什么一定要研究一个三维通用数据模型？（替2D或补2D？）三维数据建模真是的三维地理信息系统发展的障碍？三维地理信息系统究竟具有什么样的框架体系？应该研究些什么问题？三维地理信息系统与地理信息系统之间是什么关系？是替代关系还是并列关系？现有众多的三维研究内容与三维地理信息系统是何关系？三维地理信息系统究竟如何发展？三维地理信息系统三维城市模型三维空间信息系统三维景观模型三维虚拟地理信息系统三维数字城市三维地球科学信息系统三维城市地图三维景观重构三维城市地理信息系统……概念与内涵地理信息系统基础理论与方法地理信息系统平台软件学术领域商业领域应用领域软件系统信息管理系统信息管理系统信息管理系统GIS以处理地理空间信息为核心，尽管GIS在理论与技术上有了长足发展，但实际应用仍限于平面与平面二维的空间分析与操作等功能。北京三元桥地带北京三元桥地带地理信息系统学科基础理论与方法实际应用地理信息系统平台软件学术领域商业领域应用领域软件系统三维地理信息系统三维问题？三维软件？三维应用三维平台？3D应用非常广泛，但是否适于GIS向3D推广？从应用出发讨论：首先是否有必要建立一个通用的三维数据模型？其次3DGIS在这些应用领域是否有发展前景？再次3DGIS如何定位，与2DGIS关系如何？如何发展？……鉴于GIS研究者非常关注GIS在地学领域的应用与推广，那么我们有必要对地学领域做深入了解。下面从地质、大气、海洋等方面谈谈3DGIS问题。地球科学领域的三维问题三维地质模型：涉及的专业范围很广，其中主要有岩石、构造、物探、测量、数学地质、矿产普查、水文地质、工程地质及环境地质、钻探、采矿等，且不同的专业一般需要不同的三维地质模型；三维地震解释:是用于地质勘探中的一种非常重要的方法，也是除钻孔外，能获取三维地质模型的另一项重要技术；大气与海洋三维问题；油气藏三维地质模型的特点：主要用于描述油气藏内部特征、外部形态、规模大小、储层特征、流体性质及其分布规律等，且在油气藏开发的不同阶段，地质研究的重点与精度均有所不同，要建立的三维地质模型也不相同。三维地质建模是利用油气藏的各类地质基础数据，通过编辑、转换、分析和运算建立的，采用的数据主要有：井位坐标数据、井斜数据、三维地震数据、地层倾角数据、测井解释成果数据、小层顶底深度数据和部分宏面非均质参数数据等；油气藏三维地质模型建立过程：首先要依据断层数据建立断裂系统；再在其基础上以地震解释的层位数据为主要网格化数据，以钻井分层数据为校正网格数据，以地层倾角数据为校验数据，对数据进行分断块网格化处理，产生各砂层组顶、底的层面网格，与断裂系统模型组合生成油气藏的构造模型；在构造模型建立后，在模型范围内尚需对油气藏属性（包括孔隙度、渗透率、饱和度等）的展布规律进行研究，以便得到对储层特征的直观认识；三维地震解释：是从三维可视化的立体显示出发，(故可视化对它来说是初始工作)以地质体为单元，采用点、线、面结合的三度空间的立体可视化解释。核心工作是由井点数据外推地质体特性。其所处理的是一个三维数据场，数据量很大，同时需要专业人员在人机交互方式下进行解释。大气与海洋科学在污染模型中研究者所关注的是污染粒子的化学物理性质及其扩散受空气流动、气温、气压、湿度等各类气象因子等的影响。空间数据如扩散范围在很大程度上取决于模型计算的结果。采样数据在这种模型中仅起到模型检验的作用。在海洋领域GIS的应用目前较少，但三维信息的处理的研究很多如：虚拟海洋环境、三维海洋化学循环、三维海洋紊流模型、三维海洋溢油预测等。地球科学三维问题特点总结数据获取方面：通常只能获取一些非常不全面的，且有时甚至是相互冲突信息，这些信息包括地质体的维数、几何特性以及各种变化的属性等；数据采集有采样数据与插值数据两类；由于经费所限通常难以采集足够的样本数据以解决许多不确定性问题；对象表达方面：地质体的空间位置及范围通常由其属性值确定；同时，不同的行业不仅建模的方式不同，而且功能需求以及操作处理均会有很大差别；系统的建立在很大程度上依附专业知识。模型与建模数据模型分类符号模型包括用点状、线状两类符号的表达各类对象，能基本上反映对象在二维平面空间的位置和大致形状；符号表达具有较强的数理逻辑，因此,点线面矢量模型易于支持空间拓扑分析；简单模型用少量的空间数据，利用固定的点线面体要素表达各类对象，能反映对象在三维空间较精确的位置和空间外形与延伸特征，现有3DGIS模型属于此类，如四面体模型、八叉树模型、五面体模型等；复杂模型则利用大量的空间数据以及纹理数据，主要通过人机交互的方式建立对象的三维模型，在本质上与前两者有很大的差异；简单模型分类通用模型：试图用一个数据模型表达客观世界中不同应用领域的各类对象；专题模型：建模主要针对一个专业领域解决问题，如地球科学领域与城市环境；如五面体（或称棱柱体）模型。三维建模分类自动建模：基于几何要素如：长方体、棱柱体、圆锥、平截头体等等，在没有人工干预的情况下实现对象模型的表达；半自动建模：借助建模工具，并在人工交互方式下完成对象的模型表达；自动建模可以实现对大量对象的快速处理，且对象的表达简捷，易于计算处理，而半自动建模通常可以非常精确地表达对象，但模型复杂，不易计算处理，适于可视化；因此，3DGIS的建模研究出路是：3DGIS由于需要处理海量的空间数据，同时又需要实时的空间分析与操作功能，故建模应该是基于自动建模的简单模型，也即是目前3DGIS研究者探讨的主流模型。简单模型之中线框模型被认为是一种理想模型，理由是：其基本要素为点线面体，但其中以点与线段为最基本要素，易与GIS中的点线面矢量模型结合；数据量少，易于建模管理；具有较好的数理逻辑性，易于建立拓扑关系；易于实现可视化，同时也易于进行数据操作；数据模型实例研究——CAD建模支持下的三维城市GIS数据模型引言：对于城市环境，现有三维数据模型可以较好解决城市三维问题，但是由于现有这些三维数据模型属于简单模型，它们难以用来表达城市真实的景观，同时也难以表达城市复杂的建构筑物等对象而事实上，人们对于3DGIS总希望它能表达城市真实景观，所以3DGIS尽管难以达到VR的可视化效果，但其不能回避对现实世界较逼真的表达。CLR,TorontoUniversity,1998CLR,TorontoUniversity,1999城市环境存在着大量的难以用简单模型表达的复杂对象CAD支持的城市3DGIS数据模型ComplexmodelTerrain(DEM)ComplexLandscapeComplexobjectSimplemodelSimpleobjectPointsetsLinesetsPrimitivesetsCADmodelsSpatialdatabaseImagedatabaseAttributesdatabaseDataprocess,e.g.:spatialanalysisandoperationVisualization小结语：由于现实世界存在着许多非常复杂的、难以利用简单模型表达的对象，同时人们对3DGIS可视化效果的希求较高，因而将CAD模型引入到3DGIS以调和可视化引起的系列矛盾；该方案不仅是简单模型与复杂模型的结合，而且也是自动建模与半自动建模的结合。可视化问题——层状矿床的三维表达与可视化研究层状矿床的三维表达与可视化研究地层1地层2地层1地层2(a)(b)(c)分层数据点分层数据点的并集ABABAAB生成PEN3DGIS前沿3DNature,2001基于考古与现实数据进行历史场景重构长江流域6000年前米文化，地点Chengtoushan历史景观模型历史建筑模型YoshitoMIYATSUKA,etal，2002谢谢！